(57)【要約】【課題】素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】活性層の両側にＡｌa Ｉｎb Ｇａ1-a-b Ｎ（０＜ａ≦０．２，０＜ｂ≦０．２）により構成されたｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４を備える。ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４のＡｌ組成とＩｎ組成とを適切に調整することにより、活性層１３の発光波長に相当するエネルギーより大きいバンドギャップとなると共に、隣接する層との界面における分極場の影響が緩和される。ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、単一の組成からなる構造を有していても良いし、厚さ方向にＡｌ組成およびＩｎ組成を変化させた傾斜構造を有していても良い。また、Ａｌw Ｉｎx Ｇａ1-w-x Ｎ（０＜ｗ＜１，０＜ｘ＜１）からなる層と、Ａｌy Ｉｎz Ｇａ1-y-z Ｎ（０＜ｙ＜ｗ，ｘ＜ｚ＜１）からなる層とを交互に積層してなる多重構造を有していても良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
少なくともＩｎおよびＡｌを含むと共に、前記活性層の両側にそれぞれ配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を有しており、
前記量子井戸層は、５％以上３０％以下のＩｎ組成を有すると共に、０．５ｎｍ以上６ｎｍ以下の厚さを有し、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、前記量子井戸層より低いＩｎ組成を有すると共に、２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、Ａｌa Ｉｎb Ｇａ1-a-b Ｎ（０＜ａ≦０．２，０＜ｂ≦０．２）により構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、互いに異なる組成で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、厚さ方向にＡｌ組成およびＩｎ組成を変化させた傾斜構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、Ａｌw Ｉｎx Ｇａ1-w-x Ｎ（０＜ｗ＜１，０＜ｘ＜１）からなる層と、Ａｌy Ｉｎz Ｇａ1-y-z Ｎ（０＜ｙ＜ｗ，ｘ＜ｚ＜１）からなる層とを交互に積層してなる多重構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）、半導体レーザ等の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、可視領域から紫外領域まで発光するＬＥＤ等の半導体発光素子が実現されており、画像表示装置、照明装置等に応用されている。
【０００３】
ここで、一般的なＬＥＤの基本構造とその動作について簡単に説明する。ＬＥＤは、基板上に、一対のキャリア閉じ込め層が形成され、その対のキャリア閉じ込め層の間に発光領域となる活性層を有している。このような構造のＬＥＤでは、一対のキャリア閉じ込め層に電圧を印加すると、一方のキャリア閉じ込め層から電子が、他方のキャリア閉じ込め層から正孔が活性層へ注入される。そして、活性層に注入された電子と正孔が再結合することにより光子が発生（発光）する。
【０００４】
ところで、上記の一対のキャリア閉じ込め層は、キャリアを効率よく活性層へ注入すると共に、キャリアを効率よく活性層に閉じ込めるためものであるが、このキャリア閉じ込め層をＡｌＧａＮ（アルミニウム・ガリウム・窒素）またはＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム・窒素）で構成することによりキャリアの閉じ込め性を向上させる技術が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５２２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、キャリア閉じ込め層をＡｌＧａＮで構成した場合には、キャリアを効率よく閉じ込めることができる反面、キャリアを注入する際のエネルギー障壁が隣接する層との界面に形成されてしまう。一方、キャリア閉じ込め層をＩｎＧａＮで構成した場合には、製造工程中に加えられる熱によってＩｎＧａＮが劣化してしまう。そのため、素子の発光効率が低下する虞がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、少なくともＩｎおよびＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を活性層の両側にそれぞれ配置したものである。
【０００９】
本発明の半導体発光素子では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が活性層の両側に配置されると共に、少なくともＩｎおよびＡｌを含んで構成されている。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＡｌ組成とＩｎ組成とを適切に調整して、活性層の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップとなるようにすると共に、隣接する層との界面における分極場の影響を緩和するようにすることが可能となる。ここで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、キャリアを活性層へ注入すると共に、キャリアを活性層に閉じ込める機能を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光素子によれば、少なくともＩｎおよびＡｌを含むと共に、前記活性層の両側にそれぞれ配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えるようにしたので、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＡｌ組成とＩｎ組成とを適切に調整して、活性層の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップとなるようにすると共に、隣接する層との界面における分極場の影響を緩和するようにすることが可能となる。これにより、活性層にキャリアを効率よく閉じ込めることができると共に、キャリアを活性層へ効率よく注入することが可能となる。その結果、電流密度が増加するにつれて内部量子効率を向上させることができる。
【００１１】
また、Ａｌの作用により、製造工程中に加えられる熱によってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層自体が劣化するのを防止することができると共に、光の透過率を改善することができ、素子の発光効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１の断面構造を表したものである。この発光ダイオード１は、基板１０の一面側に、ｎ型層１１、ｎ側中間層１２（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）、活性層１３、ｐ側中間層１４（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）、キャップ層１５およびｐ型層１６がこの順に積層された積層構造を有する。また、ｐ型層１６およびｎ型層１１の表面の一部にはそれぞれ、ｐ側電極１７およびｎ側電極１８が形成されている。なお、この発光ダイオード１は、活性層１３から発せられた発光光線をｐ型層１６の表面から出射するように構成された上面発光型の発光素子である。
【００１４】
ｎ型層１１、ｎ側中間層１２、活性層１３、ｐ側中間層１４、キャップ層１５およびｐ型層１６は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によりそれぞれ構成される。なお、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素、例えばアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ）などと、窒素（Ｎ）とを含む化合物半導体のことをいう。
【００１５】
ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、アンドープ（不純物が添加されていない）Ａｌa Ｉｎb Ｇａ1-a-b Ｎ（０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１）により構成されている。これらｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、活性層１３の発光波長に相当するエネルギーより大きく、かつｎ型層１１およびｐ型層１６より小さなバンドギャップを有する。
【００１６】
なお、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４のＡｌ組成およびＩｎ組成の値は、活性層１３に対するキャリアの閉じ込め性や注入性を勘案して決定される。具体的には、Ａｌ組成の値ａは、０％より大きく２０％以下であることが望ましく、０．００１％以上６％以下であることがより望ましく、Ｉｎ組成の値ｂは、０％より大きく２０％以下であることが望ましく、０．００１％以上５％以下であることがより望ましい。また、厚さは、２ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることが望ましく、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより望ましい。ただし、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、互いに等しい組成や厚さである必要はなく、互いに異なる組成や厚さであっても構わない。
【００１７】
活性層１３は、例えば量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備えており、例えばアンドープＩｎc Ｇａ1-c Ｎ（量子井戸層）／アンドープＩｎd Ｇａ1-d Ｎ（障壁層）（０＜ｃ＜１，０＜ｄ＜ｃ）を一組として、それを複数積層して構成される。
【００１８】
なお、活性層１３のＩｎ組成の値ｃ，ｄは、発光波長や発光波長幅、光密度などを勘案して決定される。具体的には、量子井戸層のＩｎ組成の値ｃは、０％より大きく３０％以下であることが望ましく、障壁層のＩｎ組成の値ｄは、０％より大きく１０％以下であることが望ましい。また、量子井戸層の厚さは、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが望ましく、障壁層の厚さは、４ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが望ましい。また、活性層１３全体の厚さは、６ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１９】
キャップ層１５は、例えば厚さ３０ｎｍのｐ型Ａｌe Ｇａ1-e Ｎ（０＜ｅ＜１）により構成される。なお、厚さはキャリアがトンネル効果によってすり抜けられない程度の厚さであることが望ましく、Ａｌ組成の値ｅは高い方が望ましい。このような構成とすることにより、熱が活性層１３に伝播するのを抑制すると共に、活性層１３でのキャリア・オーバーフローを防止することができる。
【００２０】
基板１０は、例えば厚さ４３０μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）基板やサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板などにより構成される。ｎ型層１１は、例えば厚さ４μｍのｎ型ＧａＮにより構成され、一方、ｐ型層１６は、例えば厚さ１００のｎｍｐ型ＧａＮにより構成される。また、ｎ型層１１またはｐ型層１６は、主に低抵抗なｎ型（ｐ型）のオーミック接触を実現するためのｎ型（ｐ型）コンタクト層としての機能を有する。なお、ｎ型層１１はさらに、結晶性を改善するバッファ層としての機能を兼ね備えていてもよい。ｐ側電極１７は、例えば、銀（Ａｇ）およびパラジウム（Ｐｄ）を積層したもの、または、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型層１６の側から順に積層したものであり、ｐ型層１６と電気的に接続されている。また、ｎ側電極１８は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。
【００２１】
なお、キャップ層１５およびｐ型層１６に含まれるｐ型不純物としては、例えばＳｅが挙げられ、ｎ型層１１に含まれるｎ型不純物としては、例えばＺｎが挙げられる。
【００２２】
このような構成を有する発光ダイオード１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００２３】
本実施の形態の発光ダイオード１を製造するためには、基板１０上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア (ＮＨ3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
【００２４】
具体的には、まず、基板１０の一面側に、ｎ型層１１、ｎ側中間層１２、活性層１３、ｐ側中間層１４、キャップ層１５およびｐ型層１６をこの順に積層する。
【００２５】
ただし、ｎ側中間層１２、活性層１３およびｐ側中間層１４を積層する際には、不純物の供給を停止する。これにより、理想的にはこれらの層をアンドープとすることができるが、実際には隣接する層からの不純物の拡散により、これらの層はわずかな不純物濃度を有する。
【００２６】
次に、例えば、ｐ型層１６の上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ｐ型層１６，キャップ層１５，ｐ側中間層１４，活性層１３およびｎ側中間層１２を選択的に除去する。これにより、ｎ型層１１の一部が露出すると共に、ｎ型層１１上にメサ形状の積層構造が形成される。
【００２７】
続いて、ｐ型層１６の一部の表面上にｐ側電極１７を、ｎ型層１１のうち露出している部分の一部の表面上にｎ側電極１８をそれぞれ形成する。このようにして発光ダイオード１が製造される。
【００２８】
次に、この発光ダイオード１の作用・効果について説明する。
【００２９】
発光ダイオード１では、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４に電圧を印加すると、一方のｎ側中間層１２から電子が、他方のｐ側中間層１４から正孔が活性層１３へ注入される。そして、活性層１３に注入された電子と正孔が再結合することにより光子が発生し、発光光がｐ型層１６の表面から外部に出射される。
【００３０】
ところで、上述のように、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層１３に対するキャリアの閉じ込め性や注入性などを勘案して決定される。定性的には、Ａｌ組成の値を大きくするにつれてキャリアの閉じ込め性が向上し、Ｉｎ組成の値を大きくするにつれてキャリアの注入性が向上する。なお、活性層１３に対するキャリアの注入性を考察する際には、隣接する層との界面における分極場の影響も考慮される。このようにして、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４のＡｌ組成とＩｎ組成とを適切に調整することにより、例えば図１（Ｂ）に示したようなバンド構造を形成することができる。なお、図１（Ｂ）は、発光ダイオード１のバンド構造を概念的に表したものである。
【００３１】
ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、図１（Ｂ）に示したように、活性層１３のエネルギーギャップより大きく、ｎ型層１１やｐ型層１６などのｎ側中間層１２（ｐ側中間層１４）と、ｎ側電極１８（ｐ側電極１７）との間に配置された層のエネルギーギャップより小さい。さらに、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、隣接する層との界面に分極場の影響によるバンド構造の曲げが生じないようにＡｌ組成とＩｎ組成とが適切に調整されているので、キャリア（主にホール）を注入する際のエネルギー障壁を有していない。
【００３２】
このように、本実施の形態の発光ダイオード１によれば、ＡｌＩｎＧａＮにより構成されるｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４を活性層１３の両側に備えるようにしたので、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４のＡｌ組成とＩｎ組成とを適切に調整して、活性層１３の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップとなるようにすると共に、活性層１３との界面における分極場の影響を緩和するようにすることが可能となる。これにより、キャリアを活性層１３へ効率よく注入すると共に、活性層１３にキャリアを効率よく閉じ込めることができる。その結果、電流密度が増加するにつれて内部量子効率を向上させることができる。
【００３３】
また、Ａｌの作用により、製造工程中に加えられる熱によってｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４が劣化するのを防止することができると共に、光の透過率を改善することができ、素子の発光効率が向上する。
【００３４】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００３５】
例えば、上記実施の形態では、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４が活性層１３に接するように構成されていたが、何らかの層を介して活性層１３に接するように構成されていてもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態では、ｎ側電極１８は、ｎ型層１１の表面の一部に接続された構造としていたが、基板１０が導電性を有する場合には、基板１０の下面の一部に接続するようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、活性層１３は、多重量子井戸構造を備えていたが、単一量子井戸構造を備えていてもよいし、そのような量子井戸構造を備えていないバルクであってもよい。ただし、活性層１３が単一量子井戸構造の場合には、量子井戸層のＩｎ組成の値ｃは、０％より大きく３０％以下であることが望ましく、障壁層のＩｎ組成の値ｄは、０％より大きく３０％以下であることが望ましい。また、量子井戸層の厚さは、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが望ましく、障壁層の厚さは、４ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが望ましい。また、活性層１３がバルクの場合には、活性層１３のＩｎ組成の値は、０％より大きく２０％以下であることが望ましく、活性層１３の厚さは、５ｎｍ以上１０４ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、単一のＡｌ組成とＩｎ組成を有していたが、例えば図２に示したような、厚さ方向にＡｌ組成およびＩｎ組成を変化させた傾斜構造を有していてもよい。なお、このような傾斜構造は、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４を製造する際に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）の供給量を調整することで実現することができる。
【００３９】
これにより、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４がこのような傾斜構造を有することにより、基板１０近傍の領域においてＡｌＧａＮの特性を利用すると共に、活性層１３近傍の領域においてＩｎＧａＮの特性を利用することが可能となる。具体的には、基板１０および活性層１３との間で格子整合させることが可能となる。その結果、ミスフィット転位などの格子欠陥を低減することが可能となる。
【００４０】
また、ｎ側中間層１２およびｐ側中間層１４は、例えば図３に示したような、Ａｌw Ｉｎx Ｇａ1-w-x Ｎ（０＜ｗ＜１，０＜ｘ＜１）からなる層と、Ａｌy Ｉｎz Ｇａ1-y-z Ｎ（０＜ｙ＜ｗ，ｘ＜ｚ＜１）からなる層とを交互に積層してなる多重構造を有していてもよい。これにより、上記と同様に、基板１０および活性層１３との間で格子整合させることが可能となるので、ミスフィット転位などの格子欠陥を低減することが可能となる。
【００４１】
また、本発明は、本実施の形態のように、発光ダイオード１に対してのみ適用されるものではなく、例えば半導体レーザなどの半導体発光素子に対しても適用され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成およびバンド構造を表す図である。
【図２】図１に示した発光ダイオードの中間層の組成を傾斜構造とした場合について説明するためのＩｎ組成の概念図である。
【図３】図１に示した発光ダイオードの中間層の組成を積層構造とした場合について説明するためのバンド構造図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…発光ダイオード、１０…基板、１１…ｎ型層、１２…ｎ側中間層、１３…活性層、１４…ｐ側中間層、１５…キャップ層、１６…ｐ型層、１７…ｐ側電極、１８…ｎ側電極
【図１】
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【図２】
2006245165.tif 000004
【図３】
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